(57)【要約】【課題】発電と給湯を行なう燃料電池コジェネレーションシステムにおける貯湯槽内の温水量を少ない温度計測器により推定できるようにする。【解決手段】貯湯槽内の最上部位置と、最下部位置と、その中間の複数ｎ点の位置に温水層と冷水層との境界層の厚さ以上の間隔で（ｎ＋２）個の熱伝対温度センサを取り付ける。最上部位置と最下部位置の温度センサは個別の温度計測器に接続し、中間位置のｎ個の温度センサは並列接続して１台の中間部温度計測器に接続する。中間位置のｎ個の温度センサの内のｉ個（ｉ＝０〜ｎ）が注入温水温度に等しく、残り（ｎ−ｉ）個が冷水温度に等しいとした場合の中間位置温度センサの平均温度を基準温度として記憶しておき、該基準温度と中間部温度計測器が検出した平均温度とから中間位置の各温度センサ位置の温水温度を推定する。【選択図】図１
2005135686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を用いて発電すると同時にその過程で発生する廃熱を利用して給湯を行なう燃料電池コジェネレーションシステムであって、槽の下部に冷水取り入れ口と熱交換器への冷水供給口を、槽の上部に温水の戻り口と給湯口とを有する貯湯槽と、
該貯湯槽内の上部位置と、下部位置と、その中間の複数ｎ点の位置に、各々の間隔が温水層と冷水層の境界層の厚さ以上になるようにして取り付けた合計（ｎ＋２）個の温度センサと、
最上部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最上部温度計測器と、
最下部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最下部温度計測器と、
前記中間の複数ｎ点の位置に取り付けたｎ個の中間位置温度センサを一括して並列または直列に接続して得られる信号に基づいてｎ点の位置の平均温度を検出する中間部温度計測器と、
前記３個の温度計測器が検出した３つの検出温度に基づいて前記中間の複数ｎ点の位置の温水温度を推定する中間部温度推定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記貯湯槽の上部の温水の戻り口から注入される温水温度を注入温水温度Ｔｈ、下部の冷水供給口から供給される冷水の温度を冷水温度Ｔｃ、前記中間部温度計測器が検出した平均温度をＴｍ、前記中間位置ｎ点の温水温度を上から中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｎ、所定の温度偏差をΔＴとするとき、前記中間部温度推定手段は、次の式、
Ｔthｉ＝（ｉ・Ｔｈ＋（ｎ−ｉ）・Ｔｃ）／ｎ    、ｉ＝０〜ｎ
により計算した（ｎ＋１）個の基準温度Ｔth０、Ｔth１、−−、Ｔthｎと、前記平均温度Ｔｍとに基づいて次のように各中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｎの値を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
（１）｜Ｔｍ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ    、  但しｊは０〜ｎ間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｊは注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの中間位置温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍ＜Ｔthｊ    、但しｊは１〜ｎの間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔj-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間位置温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しく、中間位置温度Ｔｊは、
Ｔｊ＝ｎ・Ｔｍ−（ｊ−１）・Ｔｈ−（ｎ−ｊ）・Ｔｃ
と推定する。
【請求項３】
前記各中間位置に取り付けるｎ個の温度センサとして、同一種類で同一仕様の熱伝対を使用し、それらを並列接続して前記中間部温度計測器に入力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記各中間位置に取り付けるｎ個の温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、それらを直列接続して前記中間部温度計測器に入力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項５】
前記各中間位置に取り付けるｎ個の温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、それらを並列接続して前記中間部温度計測器に入力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項６】
燃料電池を用いて発電すると同時にその過程で発生する廃熱を利用して給湯を行なう燃料電池コジェネレーションシステムであって、槽の下部に冷水取り入れ口と熱交換器への冷水供給口を、槽の上部に温水の戻り口と給湯口を有する貯湯槽と、
該貯湯槽内の温水温度を測定する温度センサであって、貯湯槽内の上部位置と、下部位置、及びその中間位置を上から順に中間グループ１、２、−−、ｎの複数ｎに区分し各中間グループ区分内に設けたそれぞれ複数ａ1 、ａ2 、−−、ａn 点の位置に、各々の間隔が温水層と冷水層の境界層の厚さ以上になるようにして取り付けた合計（ａ1 ＋ａ2 ＋−−＋ａn ＋２）個の温度センサと、
最上部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最上部温度計測器と、
最下部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最下部温度計測器と、
前記各中間グループに属する温度センサからの信号に基づいて該中間グループに属する温度センサが取り付けられている位置の平均温度を検出するｎ個の中間部温度計測器と、  前記（ｎ＋２）個の温度計測器が検出した検出温度に基づいて前記中間グループの各位置の温水温度を推定する中間部温度推定手段と、を備え、
該中間部温度推定手段は、前記注入温水温度Ｔｈ、冷水温度Ｔｃより次の式、
Ｔthｉ＝（ｉ・Ｔｈ＋（ｎ−ｉ）・Ｔｃ）／ｎ    、ｉ＝０〜ｎ
により計算した（ｎ＋１）個の基準温度Ｔth０、Ｔth１、−−、Ｔthｎ、及び次の式、
Ｔth 1,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（a1−ｉ）・Ｔｃ）／a1    、ｉ＝０〜a1
Ｔth 2,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（a2−ｉ）・Ｔｃ）／a2    、ｉ＝０〜a2
−−
Ｔth n,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（an−ｉ）・Ｔｃ）／an    、ｉ＝０〜an
により計算した（a1＋a2＋−−＋an＋ｎ）個のグループ内基準温度Ｔth 1,i、Ｔth 2,i、−−、Ｔth n,iと、前記各中間部温度計測器の検出した平均温度であって上から順に名付けた平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎと、それらの平均値Ｔｍｍと、前記温度偏差ΔＴとに基づいて、上から順に名付けた各中間位置温度Ｔ1,1 、Ｔ1,2 、−−、Ｔ1,a1、Ｔ2,1 、Ｔ2,2 、−−、Ｔ2,a2、−−、−−、Ｔn,1 、Ｔn,2 、−−、Ｔn,anの値を次のように推定することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。
（１）｜Ｔｍｍ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ    、  但しｊは０〜ｎ間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間グループ１からｊに属する各位置の温水温度は全て注入温水温度Ｔｈに等しく、中間グループ（ｊ＋１）からｎに属する各位置の温水温度は全て冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍｍ＜Ｔthｊ    、但しｊは１〜ｎの間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間グループ１から（ｊ−１）に属する各位置の温水温度は全て注入温水温度Ｔｈに等しく、中間グループ（ｊ＋１）からｎに属する各位置の温水温度は全て冷水温度Ｔｃに等しく、中間グループｊの平均温度Ｔｍｊは、
Ｔｍｊ＝ｎ・Ｔｍｍ−（ｊ−１）・Ｔｈ−（ｎ−ｊ）・Ｔｃ
と推定する。その上で、中間グループｊに属する各中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,ajの値を次のように推定する。
（ａ）｜Ｔｍｊ−Ｔth j,k｜≦ΔＴ    、  但しｋは０〜jn間の数字
を満足するｋの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,k は注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの中間位置温度Ｔj,k+1 、Ｔj,k+2 、−−、Ｔj,ajは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
（ｂ）上記（ａ）の場合に該当せずに、
Ｔth k-1＜Ｔｍｊ＜Ｔthｋ    、但しｋは１〜jnの間の数字
を満足するｋの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,k-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間位置温度Ｔj,k+1 、Ｔj,k+2 、−−、Ｔj,jnは冷水温度Ｔｃに等しく、中間位置温度Ｔj,k は、
Ｔj,k ＝aj・Ｔｍｊ−（ｋ−１）・Ｔｈ−（aj−ｋ）・Ｔｃ
と推定する。
【請求項７】
前記各中間グループ内の各位置に取り付ける温度センサとして、同一種類で同一仕様の熱伝対を使用し、各中間グループの熱伝対は並列接続して対応する前記中間部温度計測器に入力すること特徴とする請求項６に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項８】
前記各中間グループ内の各位置に取り付ける温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、各中間グループのサーミスタは直列接続して対応する前記中間部温度計測器に入力することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項９】
前記各中間グループ内の各位置に取り付ける温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、各中間グループのサーミスタは並列接続して対応する前記中間部温度計測器に入力することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電すると同時に、燃料電池及び改質器で発生する高温廃熱を利用して給湯を併せ行なう燃料電池コジェネレーションシステムに関し、特に給湯用の温水を一時貯留する貯湯槽内の温水量を温度センサを用いて推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を用いて発電を行うと同時に、その発電過程で発生する高温廃熱及び燃料電池に必要な水素リッチな改質ガスを生成する改質器で発生する高温廃熱を利用して給湯を併せ行なう燃料電池コジェネレーションシステムの開発が進められている。
この燃料電池コジェネレーションシステムは、発電過程での発電損失である廃熱を温水として回収して有効利用するためエネルギー利用効率の非常に高い有効なシステムである。この場合、電力需要が発電量を上回る場合には商用電力系統からの受電により不足分を補うことができるが、給湯についてはそのようなことができないため通常、バッファとして貯湯槽が設けられる。
【０００３】
しかし、このような貯湯槽を設けたとしても貯湯量が少ない時に大量の温水需要が生じた場合には、温水が底をついて給湯不能となる。また、貯湯槽が温水で満水状態に近いにも関わらず大きな電力量で発電を継続した場合には貯湯槽が直ぐに満水状態となってしまう。温水で満水となれば廃熱を回収できなくなるため、発電を停止するか発生した廃熱を大気中に放出しなければならなくなる。
【０００４】
このような温水不足あるいは温水で満水といった事態を回避するためには、貯湯槽内の温水量を絶えず正確に把握し、その状況に応じて発電量を調整して貯湯槽内の温水量が適正レベルに維持されるようにフィードフォワード制御を行なう必要がある。
貯湯槽内の温水の量は、貯湯槽の上下方向に温度センサを複数配置して温度測定すれば把握できる。しかしながら、正確を期すために温度センサの数を多くしたのではコストアップになる。反対に少なすぎては貯湯量の検出精度が落ちる。
【特許文献１】特願２００３−３０９１５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池コジェネレーションシステムにより給湯を行なう場合における貯湯槽内の温水量の把握を容易にするためになされたもので、少ない温度計測器を使用して貯湯槽に取り付けた多数の温度センサの温度を検出し、もって貯湯槽内の温水量の把握を容易にした燃料電池コジェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、燃料電池を用いて発電すると同時にその過程で発生する廃熱を利用して給湯を行なう燃料電池コジェネレーションシステムであって、槽の下部に冷水取り入れ口と熱交換器への冷水供給口を、槽の上部に温水の戻り口と給湯口とを有する貯湯槽と、該貯湯槽内の上部位置と、下部位置と、その中間の複数ｎ点の位置に、各々の間隔が温水層と冷水層の境界層の厚さ以上になるようにして取り付けた合計（ｎ＋２）個の温度センサと、最上部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最上部温度計測器と、最下部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最下部温度計測器と、前記中間の複数ｎ点の位置に取り付けたｎ個の中間位置温度センサを一括して並列または直列に接続して得られる信号に基づいてｎ点の位置の平均温度を検出する中間部温度計測器と、前記３個の温度計測器が検出した３つの検出温度に基づいて前記中間の複数ｎ点の位置の温水温度を推定する中間部温度推定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステムである。
【０００７】
このような構成の燃料電池コジェネレーションシステムによれば中間位置のｎ個の温度センサに対して温度計測器が１式で済む上、中間位置の温度センサを貯湯槽側で並列または直列に接続するため中間部温度計測器までの配線費用を削減できる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、前記貯湯槽の上部の温水の戻り口から注入される温水温度を注入温水温度Ｔｈ、下部の冷水供給口から供給される冷水の温度を冷水温度Ｔｃ、前記中間部温度計測器が検出した平均温度をＴｍ、前記中間位置ｎ点の温水温度を上から中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｎ、所定の温度偏差をΔＴとするとき、前記中間部温度推定手段は、次の式、
Ｔthｉ＝（ｉ・Ｔｈ＋（ｎ−ｉ）・Ｔｃ）／ｎ    、ｉ＝０〜ｎ
により計算した（ｎ＋１）個の基準温度Ｔth０、Ｔth１、−−、Ｔthｎと、前記平均温度Ｔｍとに基づいて次のように各中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｎの値を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
（１）｜Ｔｍ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ    、  但しｊは０〜ｎ間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｊは注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの中間位置温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍ＜Ｔthｊ    、但しｊは１〜ｎの間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔj-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間位置温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しく、中間位置温度Ｔｊは、
Ｔｊ＝ｎ・Ｔｍ−（ｊ−１）・Ｔｈ−（ｎ−ｊ）・Ｔｃ
と推定する。
【０００９】
このような推定方法によれば、貯湯槽内の中間位置に取り付けたｎ個の温度センサ位置の平均温度を検出するのみでｎ個の温度センサ位
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、前記各中間位置に取り付けるｎ個の温度センサとして、同一種類で同一仕様の熱伝対を使用し、それらを並列接続して前記中間部温度計測器に入力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
【００１１】
熱伝対を並列接続した場合にはその両端に並列接続された各熱伝対の熱起電力の平均の起電力が現れるので、その起電力を通常仕様の温度計測器に接続するのみで各熱伝対位置の平均温度を検出できる利点がある。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、前記各中間位置に取り付けるｎ個の温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、それらを直列接続して前記中間部温度計測器に入力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
このような構成によっても、中間位置に取り付けたｎ個の温度センサ位置の温水温度の平均値を求めることができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、前記各中間位置に取り付けるｎ個の温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、それらを並列接続して前記中間部温度計測器に入力するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
【００１４】
このような構成によっても、中間位置に取り付けたｎ個の温度センサ位置の温水温度の平均値を求めることができる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、燃料電池を用いて発電すると同時にその過程で発生する廃熱を利用して給湯を行なう燃料電池コジェネレーションシステムであって、槽の下部に冷水取り入れ口と熱交換器への冷水供給口を、槽の上部に温水の戻り口と給湯口を有する貯湯槽と、該貯湯槽内の温水温度を測定する温度センサであって、貯湯槽内の上部位置と、下部位置、及びその中間位置を上から順に中間グループ１、２、−−、ｎの複数ｎに区分し各中間グループ区分内に設けたそれぞれ複数ａ1 、ａ2 、−−、ａn 点の位置に、各々の間隔が温水層と冷水層の境界層の厚さ以上になるようにして取り付けた合計（ａ1 ＋ａ2 ＋−−＋ａn ＋２）個の温度センサと、最上部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最上部温度計測器と、最下部位置の温度センサからの信号によりその位置の温水温度を検出する最下部温度計測器と、前記各中間グループに属する温度センサからの信号に基づいて該中間グループに属する温度センサが取り付けられている位置の平均温度を検出するｎ個の中間部温度計測器と、前記（ｎ＋２）個の温度計測器が検出した検出温度に基づいて前記中間グループの各位置の温水温度を推定する中間部温度推定手段と、を備え、
該中間部温度推定手段は、前記注入温水温度Ｔｈ、冷水温度Ｔｃより次の式、
Ｔthｉ＝（ｉ・Ｔｈ＋（ｎ−ｉ）・Ｔｃ）／ｎ    、ｉ＝０〜ｎ
により計算した（ｎ＋１）個の基準温度Ｔth０、Ｔth１、−−、Ｔthｎ、及び次の式、
Ｔth 1,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（a1−ｉ）・Ｔｃ）／a1    、ｉ＝０〜a1
Ｔth 2,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（a2−ｉ）・Ｔｃ）／a2    、ｉ＝０〜a2
−−
Ｔth n,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（an−ｉ）・Ｔｃ）／an    、ｉ＝０〜an
により計算した（a1＋a2＋−−＋an＋ｎ）個のグループ内基準温度Ｔth 1,i、Ｔth 2,i、−−、Ｔth n,iと、前記各中間部温度計測器の検出した平均温度であって上から順に名付けた平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎと、それらの平均値Ｔｍｍと、前記温度偏差ΔＴとに基づいて、上から順に名付けた各中間位置温度Ｔ1,1 、Ｔ1,2 、−−、Ｔ1,a1、Ｔ2,1 、Ｔ2,2 、−−、Ｔ2,a2、−−、−−、Ｔn,1 、Ｔn,2 、−−、Ｔn,anの値を次のように推定することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステムである。
（１）｜Ｔｍｍ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ    、  但しｊは０〜ｎ間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間グループ１からｊに属する各位置の温水温度は全て注入温水温度Ｔｈに等しく、中間グループ（ｊ＋１）からｎに属する各位置の温水温度は全て冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍｍ＜Ｔthｊ    、但しｊは１〜ｎの間の数字
を満足するｊの値が存在する場合は、中間グループ１から（ｊ−１）に属する各位置の温水温度は全て注入温水温度Ｔｈに等しく、中間グループ（ｊ＋１）からｎに属する各位置の温水温度は全て冷水温度Ｔｃに等しく、中間グループｊの平均温度Ｔｍｊは、
Ｔｍｊ＝ｎ・Ｔｍｍ−（ｊ−１）・Ｔｈ−（ｎ−ｊ）・Ｔｃ
と推定する。その上で、中間グループｊに属する各中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,ajの値を次のように推定する。
（ａ）｜Ｔｍｊ−Ｔth j,k｜≦ΔＴ    、  但しｋは０〜jn間の数字
を満足するｋの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,k は注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの中間位置温度Ｔj,k+1 、Ｔj,k+2 、−−、Ｔj,ajは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
（ｂ）上記（ａ）の場合に該当せずに、
Ｔth k-1＜Ｔｍｊ＜Ｔthｋ    、但しｋは１〜jnの間の数字
を満足するｋの値が存在する場合は、中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,k-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間位置温度Ｔj,k+1 、Ｔj,k+2 、−−、Ｔj,jnは冷水温度Ｔｃに等しく、中間位置温度Ｔj,k は、
Ｔj,k ＝aj・Ｔｍｊ−（ｋ−１）・Ｔｈ−（aj−ｋ）・Ｔｃ
と推定する。
【００１６】
このような構成の燃料電池コジェネレーションシステムは、貯湯槽が上下方向に長い場合や温水量を正確に把握したい場合に特に有効であり、請求項２に記載した発明と同様の効果が得られる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明は、前記各中間グループ内の各位置に取り付ける温度センサとして、同一種類で同一仕様の熱伝対を使用し、各中間グループの熱伝対は並列接続して対応する前記中間部温度計測器に入力すること特徴とする請求項６に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
【００１８】
請求項３に記載の発明の場合と同様、熱伝対を並列接続した場合にはその両端に並列接続された各熱伝対の熱起電力の平均の起電力が現れるので、その起電力を通常仕様の温度計測器に接続するのみで各熱伝対位置の平均温度を検出できる利点がある。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、前記各中間グループ内の各位置に取り付ける温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、各中間グループのサーミスタは直列接続して対応する前記中間部温度計測器に入力することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
【００２０】
このような構成によっても、各グループの中間位置に取り付けた温度センサ位置の温水温度の各グループ毎の平均値を求めることができる。
【００２１】
また、請求項９に記載の発明は、前記各中間グループ内の各位置に取り付ける温度センサとして、同一種類で同一仕様のサーミスタを使用し、各中間グループのサーミスタは並列接続して対応する前記中間部温度計測器に入力することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池コジェネレーションシステムである。
【００２２】
このような構成によっても、各グループの中間位置に取り付けた温度センサ位置の温水温度の各グループ毎の平均値を求めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池コジェネレーションシステムによれば、貯湯槽内の中間位置に取り付けた複数の温度センサを貯湯槽側で並列または直列に接続してその平均温度を検出するのみで、複数の温度センサ位置の温水温度を推定できる。従って、中間位置の複数の温度センサに対して温度計測器は１式で済ますことができる。また、中間位置の温度センサを貯湯槽側で並列または直列に接続して中間部温度計測器まで配線するため、個別に配線する場合に比べて配線費用を節減できる効果がある。このようなことから例えば設備予算が同じの場合には、中間位置の温度センサ毎に温度計測器を取り付ける方式と比較してより多くの温度センサを取り付けられるため、貯湯槽内の温水量の把握をより正確に行なえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
図２に、本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステム１の全体のブロック図及び、それに接続される商用電力系統２、コジェネ電力負荷３、温水使用機器４の接続関係を示す。
燃料電池コジェネレーションシステム１は、燃料電池発電部１１、貯湯槽１２、熱回収水循環ポンプ１３、循環ポンプ制御回路１４を備えて構成される。
【００２５】
燃料電池発電部１１は、改質器１１１、燃料電池１１２、インバータ１１３、熱交換器１１４、発電量制御回路１１５を備えて構成される。改質器１１１は、燃料ガスとして天然ガス、ＬＰＧ、ブタン、メタノール、灯油などの炭化水素系ガスの供給を受け、水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな改質ガスを生成する。生成された改質ガスは燃料電池１１２に供給される。燃料電池１１２には、酸素源として空気も供給される。
【００２６】
燃料電池１１２では、改質ガス中の水素と酸素とが触媒の助けをかりて電気化学反応を起こし直流電力Ｐdcが生成される。生成された直流電力Ｐdcは、インバータ１１３により、電圧、周波数が商用電力系統２のそれと等しい交流の発電電力Ｐacに変換され商用電力系統２に系統連系して供給される。燃料電池発電部１１の発電電力Ｐacの値は、発電量制御回路１１５により制御される。
【００２７】
発電量制御回路１１５は、発電電力Ｐacの値が目標値に一致するように燃料電池発電部１１を制御する。発電電力Ｐacの制御は、改質器１１１への燃料ガス供給量の調整、インバータ１１３の出力電流の調整等によって行なわれる。発電電力Ｐacの目標値は、燃料ガス供給量、燃料電池１１２の発電能力、コジェネ電力負荷３の電力需要、貯湯槽１２内温水残量等の種々の条件を考慮して随時、決定される。
【００２８】
商用電力系統２には、コジェネ電力負荷３が接続されている。ただし、このコジェネ電力負荷３は、燃料電池コジェネレーションシステム１が発電した電力を主として使用して動作する負荷、例えば燃料電池コジェネレーションシステム１が設置された一軒の家屋で使用される家電製品による電力負荷を意味している。商用電力系統２は広域に給電する電力系統であるので、図に示したコジェネ電力負荷３以外にも、多数の一般の電力負荷が接続されている。
【００２９】
コジェネ電力負荷３の電力需要が燃料電池発電部１１で発電される発電電力Ｐacを上回るときは、その不足分は商用電力系統２から供給される。反対にコジェネ電力負荷３の電力需要が発電電力Ｐacを下回る場合には、余った発電電力は商用電力系統２に供給される。
燃料電池発電部１１内の改質器１１１における反応は吸熱反応であり、反応を促進させるため触媒の温度を７００℃前後に維持する必要がある。この加熱は通常、バーナ加熱により行なわれる。従ってその際に廃熱が発生する。また、燃料電池１１２においても、水素ガスと酸素ガスとが電気化学反応を起こす際に廃熱が生まれる。
【００３０】
これらの廃熱は熱交換器１１４に導かれ、貯湯槽１２から熱回収水循環ポンプ１３により送り込まれた低温の熱回収循環水と熱交換しこれを温水に変える。温水となった熱回収循環水は貯湯槽１２に戻される。このようにして廃熱の持つ熱エネルギーの回収が行なわれる。
熱回収循環水の循環量は、熱回収水循環ポンプ１３の吐出水量を循環ポンプ制御回路１４により制御することで行なわれる。循環ポンプ制御回路１４は、熱交換器１１４の出側配管に取り付けた温度センサ１２Ｓにより検出した温水温度Ｔｈが、所定の温水設定温度Ｔref に等しくなるよう比例積分制御により熱回収水循環ポンプ１３の吐出水量を制御する。従って、貯湯槽１２に戻される温水温度Ｔｈは、廃熱が十分に発生しており、熱回収水循環ポンプ１３がその最低と最高の吐出水量の範囲内で動作している限りにおいては温水設定温度Ｔref に等しくなる。その量は、温水設定温度Ｔref が一定の場合においては、燃料電池発電部１１の内部で発生する廃熱量にほぼ比例した量となる。なお、温水設定温度Ｔref の値は、通常の運転状態においては、図示しない操作盤にて設定された給湯温度に等しい値とされる。
【００３１】
熱交換器１１４にて生成された温水は、貯湯槽１２内に一時的に貯留される。温水は貯湯槽１２の最上部付近に設けられた温水戻り口１２１より注入される。熱交換器１１４に供給される熱回収循環水は、貯湯槽１２の最下部付近に設けられた冷水供給口１２２より取り出される。従って、温水は比重の関係で貯湯槽１２内の上部から蓄積され始め、量が増すに従って温水層の厚さが増していく。温水は、貯湯槽１２の最上部付近に設けられた給湯口１２３より取り出されて温水使用機器４に給湯される。給湯により減少した水量は、貯湯槽１２の最下部近くに設けられた冷水取り入れ口１２４より供給される市水などの冷水で補充されるようになっており、貯湯槽１２内は常に満水の状態に保たれる。
【００３２】
このような構成と動作により燃料電池発電部１１で発電された発電電力Ｐacはコジェネ電力負荷３に、廃熱は温水として温水使用機器４に供給され燃料ガスの有していたエネルギーが効率良く利用される。しかし、このような電力と温水の併給を行なうコジェネレーションシステムでは、温水使用機器４の温水需要量が一時的に大きくなった場合に、貯湯槽１２の温水が不足する温水切れや給湯温度の低下といった不具合が生じる。また逆に、温水需要量が減少して貯湯槽１２内が温水で満水状態になった場合には、貯湯槽１２内の温水の過熱や、廃熱が十分回収されないことによる熱交換器１１４の過熱、それを防ぐための発電停止や廃熱の大気中への放出といった不具合な事態が生じる。
【００３３】
このような不具合の発生を防ぐには、貯湯槽１２内の温水の量を絶えず把握して発電電力Ｐacひいては廃熱発生量をフィードフォワード制御する必要がある。貯湯槽１２内の温水量は、温水が上部から蓄積されることから上下方向の温水温度分布を把握できれば容易に推定することができる。以下、本実施形態の貯湯槽１２内温水の上下方向温度分布の測定方法について説明する。
【００３４】
図１は、貯湯槽１２内の温水の上下方向の温度分布を測定するための温度センサの取り付け位置と温度計測器との接続関係を示したものである。温度センサは、最上部付近に最上部温度センサＳｕ、最下部付近に最下部温度センサＳｖ、中間部には上から順に３個の中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が取り付けられている。ここで、各温度センサの間隔は、上部の温水層１２ｈと下部の冷水層１２ｃとの境界層（温度遷移領域）１２ｍの厚さ以上の間隔を隔てて取り付けてある。従って、２つの温度センサが同時に境界層１２ｍ内に入る状態は生じない。
【００３５】
本実施形態では、温度センサに同じ種類、同じ仕様の熱電対を使用している。最上部温度センサＳｕの信号（熱起電力）は、最上部温度計測器２１に導かれて最上部温度Ｔｕが検出される。この検出温度は、主として貯湯槽１２内が温水切れ状態になったことの検出に使用される。最下部温度センサＳｖの信号は、最下部温度計測器２３に導かれて最下部温度Ｔｖが検出される。この検出温度は、主として貯湯槽１２内が温水で満水状態となったことの検出に使用される。
【００３６】
中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３は貯湯槽１２側で並列に接続してあり、並列接続した両端は補償導線によって導かれて中間部温度計測器２２の入力端に接続されている。熱電対である中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３を並列接続した回路は、図３の（１）のように書ける。図中のＥ１、Ｅ２、Ｅ３は、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の熱起電力であり、抵抗Ｒは熱電対の抵抗である。図３の（１）の回路は、図３の（２）と等価である。即ち、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３を並列接続した回路は、３本の熱電対の熱起電力の平均値の電圧を発生し、内部抵抗がＲ／３の電圧源とみなすことができる。従って、その両端を入力インピーダンスの高い中間部温度計測器２２に接続すれば、出力にはそれら温度センサが取り付けられている位置の温水（または冷水）の温度である中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の平均温度Ｔｍが出力される。中間部温度計測器２２は、最上部温度計測器２１、最下部温度計測器２３と同一仕様の計測器でよい。
【００３７】
平均温度Ｔｍ及び最上部温度Ｔｕ、最下部温度Ｔｖは、中間部温度推定手段２４に入力される。中間部温度推定手段２４は、それらの値を基に中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の各値を次のように計算して推定する。
中間部温度推定手段２４は、まず最初に貯湯槽１２の最上部から注入される温水の注入温水温度Ｔｈと、最下部から供給される冷水の冷水温度Ｔｃを次のようにして把握する。境界層１２ｍの厚さは先に条件設定したように何れの温度センサ間の間隔よりも小さい。従って、例えば図１のように、境界層１２ｍが中間部温度センサＳ１とＳ３との間にその一部分でも存在する位置関係にある場合には、最上部温度Ｔｕ、最下部温度Ｔｖ、平均温度Ｔｍの大小関係は次のようになる。
Ｔｕ＞Ｔｍ＞Ｔｖ                                                    （１）式
この関係が成り立っている状態では、最上部温度Ｔｕは注入温水温度Ｔｈに等しく、最下部温度Ｔｖは冷水温度Ｔｃに等しい筈である。従って、（１）式が成立している状態における最上部温度Ｔｕ、最下部温度Ｔｖから注入温水温度Ｔｈ、冷水温度Ｔｃを把握することができる。なお、運転開始直後などでは（１）式が成立していないことが考えられる。その場合には、注入温水温度Ｔｈとしては循環ポンプ制御回路１４への温水設定温度Ｔref あるいは熱交換器１１４の出側配管に取り付けた温度センサ１２Ｓで検出した温度Ｔｈを一時的に使用する。また、冷水温度Ｔｃは変動が少ないために予め設定した定数を一時的に使用する。
【００３８】
次に、中間部温度推定手段２４は、上で把握した注入温水温度Ｔｈ、冷水温度Ｔｃを用い、次式に従った基準温度Ｔth０、Ｔth１、Ｔth２、Ｔth３を算出して記憶しておく。
Ｔth０＝（０・Ｔｈ＋３・Ｔｃ）／３＝Ｔｃ                            （２）式
Ｔth１＝（１・Ｔｈ＋２・Ｔｃ）／３                                  （３）式
Ｔth２＝（２・Ｔｈ＋１・Ｔｃ）／３                                  （４）式
Ｔth３＝（３・Ｔｈ＋０・Ｔｃ）／３＝Ｔｈ                            （５）式
基準温度Ｔth０、Ｔth１、Ｔth２、Ｔth３は、貯湯槽１２内の温水層１２ｈ、境界層１２ｍ、冷水層１２ｃと温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３との位置関係がそれぞれ図４の（１）、（２）、（３）、（４）に示すような関係にある場合の平均温度Ｔｍに相当する。
【００３９】
即ち、基準温度Ｔth０は温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が全て冷水層１２ｃの温度を測定している場合の平均温度Ｔｍに等しく、基準温度Ｔth１は温度センサＳ１が温水層１２ｈの温度を、温度センサＳ２、Ｓ３が冷水層１２ｃの温度を測定している場合の平均温度Ｔｍに等しく、基準温度Ｔth２は温度センサＳ１、Ｓ２が温水層１２ｈの温度を、温度センサＳ３が冷水層１２ｃの温度を測定している場合の平均温度Ｔｍに等しく、基準温度Ｔth３は温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が全て温水層１２ｈの温度を測定している場合の平均温度Ｔｍに等しい。
【００４０】
実際の温度測定に当っては、中間部温度推定手段２４は、このようにして求めた基準温度Ｔth０、Ｔth１、Ｔth２、Ｔth３の値と中間部温度計測器２２が計測した平均温度Ｔｍとに基づいて、中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の位置における中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の値を次のように推定する。
（１）｜Ｔｍ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ  、  但しｊは０〜３間の数字
を満足するｊの値が存在する場合。
ここで、ΔＴは微小な値で境界層１２ｍと温水層１２ｈとの境、境界層１２ｍと冷水層１２ｃとの境を決めるための値である。境界層１２ｍは、温度が（冷水温度Ｔｃ＋ΔＴ）以上で（注入温水温度Ｔｈ−ΔＴ）以下の範囲の層であり、温度が（冷水温度Ｔｃ＋ΔＴ）以下の層は冷水層１２ｃ、（注入温水温度Ｔｈ−ΔＴ）以上の層は温水層１２ｈとみなす。温度検出精度は、このΔＴより小さい必要がある。
【００４１】
（ａ）上記不等式を満足するｊの値が「０」の場合。
Ｔｍ＝Ｔth０
とみなすことができる。（２）式を用いると、
Ｔｍ＝Ｔｃ
これは図４の（１）の場合のように、中間部温度Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は全て冷水層１２ｃの温度を測定している状態である。従って、
Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔｃ
と推定する。
【００４２】
（ｂ）上記不等式を満足するｊの値が「１」の場合。
Ｔｍ＝Ｔth１
とみなすことができる。（３）式を用いると、
Ｔｍ＝（１・Ｔｈ＋２・Ｔｃ）／３
これは図４の（２）の場合のように、中間部温度センサＳ１は温水層１２ｈの温度を測定し、中間部温度センサＳ２、Ｓ３は冷水層１２ｃの温度を測定している状態である。従って、
Ｔ１＝Ｔｈ    、  Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔｃ
と推定する。
【００４３】
（ｃ）上記不等式を満足するｊの値が「２」の場合。
Ｔｍ＝Ｔth２
とみなすことができる。（４）式を用いると、
Ｔｍ＝（２・Ｔｈ＋１・Ｔｃ）／３
これは図４の（３）の場合のように、中間部温度センサＳ１、Ｓ２は温水層１２ｈの温度を測定し、中間部温度センサＳ３は冷水層１２ｃの温度を測定している状態である。従って、
Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔｈ    、  Ｔ３＝Ｔｃ
と推定する。
【００４４】
（ｄ）上記不等式を満足するｊの値が「３」の場合。
Ｔｍ＝Ｔth３
とみなすことができる。（５）式を用いると、
Ｔｍ＝Ｔｈ
これは図４の（４）の場合のように、中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３は全て温水層１２ｈの温度を測定している状態である。従って、
Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔｈ
と推定する。
【００４５】
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍ＜Ｔthｊ  、  但しｊは１〜３の間の数字
を満足するｊの値が存在する場合。
（ａ）上記不等式を満足するｊの値が「１」の場合。
Ｔth０＜Ｔｍ＜Ｔth１
（２）、（３）式を用いると、
（０・Ｔｈ＋３・Ｔｃ）／３＜Ｔｍ＜（１・Ｔｈ＋２・Ｔｃ）／３
これは図４の（１）と（２）の中間の状態であり、図５の（１）に示すように中間部温度センサＳ１は境界層１２ｍの温度を測定し、中間部温度センサＳ２、Ｓ３は冷水層１２ｃの温度を測定している状態とみなすことができる。従って、
Ｔ２＝Ｔ３＝Ｔｃ
Ｔ１＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）−（Ｔ２＋Ｔ３）
＝３・Ｔｍ−２・Ｔｃ
と推定する。
【００４６】
（ｂ）上記不等式を満足するｊの値が「２」の場合。
Ｔth１＜Ｔｍ＜Ｔth２
（３）、（４）式を用いると、
（１・Ｔｈ＋２・Ｔｃ）／３＜Ｔｍ＜（２・Ｔｈ＋１・Ｔｃ）／３
これは図４の（２）と（３）の中間の状態であり、図５の（２）に示すように中間部温度センサＳ１は温水層１２ｈの温度を測定し、中間部温度センサＳ２は境界層１２ｍの温度を測定し、中間部温度センサＳ３は冷水層１２ｃの温度を測定している状態とみなすことができる。従って、
Ｔ１＝Ｔｈ  、  Ｔ３＝Ｔｃ
Ｔ２＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）−（Ｔ１＋Ｔ３）
＝３・Ｔｍ−Ｔｈ−Ｔｃ
と推定する。
【００４７】
（ｃ）上記不等式を満足するｊの値が「３」の場合。
【００４８】
Ｔth２＜Ｔｍ＜Ｔth３
（４）、（５）式を用いると、
（２・Ｔｈ＋１・Ｔｃ）／３＜Ｔｍ＜（３・Ｔｈ＋０・Ｔｃ）／３
これは図４の（３）と（４）の中間の状態であり、図５の（３）に示すように中間部温度センサＳ１、Ｓ２は温水層１２ｈの温度を測定し、中間部温度センサＳ３は境界層１２ｍの温度を測定している状態とみなすことができる。従って、
Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔｈ
Ｔ３＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）−（Ｔ１＋Ｔ２）
＝３・Ｔｍ−２・Ｔｈ
と推定する。
【００４９】
以上の説明で明らかなように、本実施形態によれば中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の平均温度Ｔｍを測定することで、これら各温度センサの取り付け位置における温水（または冷水）の温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を推定することができる。
この場合、中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３に対しては中間部温度計測器２２を１式必要とするのみであるので、個々の温度センサに温度計測器を取り付ける場合に比べて温度計測器が２式少なくて済む。また、中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３として用いる熱電対は、貯湯槽１２側で並列に接続し、その両端を補償導線で中間部温度計測器２２に導いているので、個々の熱電対の信号を補償導線で温度測定器まで個別に配線するのに比べて配線工事費用が少なくて済む利点がある。
【００５０】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、中間部温度センサはＳ１、Ｓ２、Ｓ３の３本であったが、本実施形態は中間部温度センサをＳ１、Ｓ２、−−、Ｓｎ（但し、ｎは複数）に一般化した実施形態である。貯湯槽１２内の温度センサの取り付け状態を図６に示す。温度センサは全て同一種類、同一仕様の熱電対である。中間部温度センサＳ１〜Ｓｎは、貯湯槽１２側で並列に接続してあり、並列接続した両端は補償導線によって導かれて中間部温度計測器２２に入力されている。
【００５１】
第１の実施形態の図３で説明したと同様に、中間部温度計測器２２には中間部温度センサＳ１〜Ｓｎで発生した熱起電力の平均値が入力される。中間部温度計測器２２は入力された熱起電力の平均値に基づいて、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｎの平均温度Ｔｍを算出し中間部温度推定手段２４に出力する。中間部温度計測器２２は、最上部温度計測器２１、最下部温度計測器２３と同一仕様の計測器でよい。
【００５２】
中間部温度推定手段２４は第１の実施形態の場合と同じようにして、測定された平均温度Ｔｍに基づいて中間位置温度Ｔ１〜Ｔｎの値を次のように計算して推定する。
中間部温度推定手段２４は、最初に次式に従った基準温度Ｔth０、Ｔth１、−−、Ｔthｎを算出して記憶しておく。
Ｔthｉ＝（ｉ・Ｔｈ＋（ｎ−ｉ）・Ｔｃ）／ｎ    、ｉ＝０〜ｎ          （６）式
この式は、第１の実施形態における（２）、（３）、（４）、（５）式と同様の式である。Ｔthｉは、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｎのうち上からｉ番目までの温度が注入温水温度Ｔｈに等しく、残りは冷水温度Ｔｃに等しい場合の平均温度に相当する。
【００５３】
実際の温度測定に当っては、中間部温度推定手段２４は、（６）式で計算した基準温度Ｔthｉ、ｉ＝０〜ｎの値と、中間部温度計測器２２が検出した平均温度Ｔｍとに基づいて中間部温度センサＳ１〜Ｓｎの取り付け位置における中間位置温度Ｔ１〜Ｔｎの各値を次のように推定する。
（１）｜Ｔｍ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ  、  但しｊは０〜ｎ間の数字
を満足するｊの値が存在する場合。但し、ΔＴは第１の実施形態の場合と同様の微小な値とする。
【００５４】
上記不等式が成立していれば、平均温度Ｔｍは基準温度Ｔthｊと殆ど一致しているとみなすことができる。従って、この場合には（６）式より、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｊは注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの中間位置温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。但し、ｊ＝０の場合は、Ｔ１〜Ｔｎは全て冷水温度Ｔｃに等しく、ｊ＝ｎの場合はＴ１〜Ｔｎは全て注入温水温度Ｔｈに等しいと推定する。
【００５５】
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍ＜Ｔthｊ    、但しｊは１〜ｎの間の数字
を満足するｊの値が存在する場合。
（６）式を用いると、
（（ｊ−１）・Ｔｈ＋（ｎ−ｊ＋１）・Ｔｃ）／ｎ  ＜Ｔｍ
＜（ｊ・Ｔｈ＋（ｎ−ｊ）・Ｔｃ）／ｎ
これより、中間位置温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔj-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間位置温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。そして、中間位置温度Ｔｊについては、
Ｔｊ＝ｎ・Ｔｍ−（ｊ−１）・Ｔｈ−（ｎ−ｊ）・Ｔｃ
と推定する。
【００５６】
以上の説明で明らかなように本実施形態の場合も、中間部温度センサＳ１〜Ｓｎの平均温度Ｔｍを測定することで各センサの取り付け位置における温水（または冷水）の温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｊを推定することができる。
この場合、中間部温度センサＳ１〜Ｓｎに対しては中間部温度計測器２２を１式必要とするのみであるので、全ての中間部温度センサＳ１〜Ｓｎに個別に温度計測器を取り付ける場合に比べて温度計測器が（ｎ−１）式少なくて済むことになる。また、中間部温度センサＳ１〜Ｓｎの熱電対は、貯湯槽１２側で並列に接続し、その両端を補償導線で中間部温度計測器２２に導けばよいので、個々の熱電対の信号を補償導線で温度計測器まで個別に配線するのに比べて配線工事費用が少なくて済む利点がある。
【００５７】
（第３の実施形態）
第２の実施形態では、中間部温度センサＳ１〜Ｓｎを一括して並列に接続し１式の中間部温度計測器２２に入力した。これに対して本実施形態では図７に示すように、中間部温度センサを中間グループ１、２、−−、ｎの複数ｎ個にグループ分けし、各中間グループに属する複数の温度センサは各中間グループ毎に並列接続してそれぞれ対応する中間部温度計測器２２１、２２１、−−、２２ｎに接続している。中間グループ１には上から順に中間部温度センサＳ1,1 、Ｓ1,2 、−−、Ｓ1,a1が、中間グループ２にはＳ2,1 、Ｓ2,2 、−−、Ｓ2,a2が、中間グループｎにはＳn,1 、Ｓn,2 、−−、Ｓn,anがそれぞれ属し、それら温度センサは全て同一種類、同一仕様の熱電対である。
【００５８】
第１の実施形態の図３で説明したと同様に、各中間部温度計測器からは、接続された各中間部温度センサの取り付け位置における温水（または冷水）の中間グループ毎の平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎが出力される。各中間部温度計測器２２１、２２１、−−、２２ｎには、最上部温度計測器２１、最下部温度計測器２３と同じ仕様の計測器を使用できる。
【００５９】
中間部温度推定手段２４は、最初に次式により（ｎ＋１）個の基準温度Ｔth０、Ｔth１、−−、Ｔthｎを算出して記憶しておく。
Ｔthｉ＝（ｉ・Ｔｈ＋（ｎ−ｉ）・Ｔｃ）／ｎ    、ｉ＝０〜ｎ          （７）式
この式は、第２の実施形態における（６）式と同じ式である。基準温度Ｔthｉは、中間グループ毎の平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎのうち上からｉ番目までの平均温度は注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの平均温度は冷水温度Ｔｃに等しいと仮定して計算した平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎのｎ個の数値の平均値である。
【００６０】
本実施形態の場合、中間部温度推定手段２４は更に次式で計算されるグループ内基準温度Ｔth 1,i、Ｔth 2,i、−−、Ｔth n,iを算出して記憶しておく。
Ｔth 1,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（a1−ｉ）・Ｔｃ）／ai    、ｉ＝０〜a1        （8-1)式
Ｔth 2,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（a2−ｉ）・Ｔｃ）／a2    、ｉ＝０〜a2        （8-2)式
−−
Ｔth j,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（aj−ｉ）・Ｔｃ）／aj    、ｉ＝０〜aj        （8-j)式
−−
Ｔth n,i＝（ｉ・Ｔｈ＋（an−ｉ）・Ｔｃ）／an    、ｉ＝０〜an        （8-n)式
ここで、グループ内基準温度Ｔth j,iの最初の添字は中間グループ番号を、二番目の添字はその中間グループの中で注入温水温度Ｔｈを検出している中間部温度センサの数を意味している。従って、グループ内基準温度Ｔth j,iは、中間グループｊに属するaj本の温度センサの内、ｉ本が注入温水温度Ｔｈを検出しており残りの（aj−ｉ）本は冷水温度Ｔｃを検出していると仮定して計算した温水温度の平均値である。
【００６１】
実際の温度測定に当っては、中間部温度推定手段２４は、（７）式で求めた基準温度Ｔthｉ、ｉ＝０〜ｎと、（8-1)〜（8-n)式で求めた（a1＋a2＋−−＋an＋ｎ）個のグループ内基準温度Ｔth j,iとを参照しつつ、測定された中間グループ毎の平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎとそれらの数値の平均値Ｔｍｍ、
平均値Ｔｍｍ＝（Ｔｍ１＋Ｔｍ２＋−−−＋Ｔｍｎ）／ｎ
とに基づいて、前記各中間部温度センサＳj,i が取り付けられている位置の温水（または冷水）の温度（中間位置温度）Ｔj,i の値を次のように計算して推定する。ここで中間位置温度Ｔj,i の最初の添字ｊは中間グループのグループ番号を、二番目の添字ｉはその中間グループ内で上から数えた温度センサの位置番号を表わしている。
【００６２】
（１）｜Ｔｍｎ−Ｔthｊ｜≦ΔＴ  、  但しｊは０〜ｎ間の数字
を満足するｊの値が存在する場合。但し、ΔＴは第１、第２の実施形態の場合と同様の微小な値とする。
上記不等式が成立していれば、平均値Ｔｍｍは基準温度Ｔthｊと殆ど一致しているとみなすことができる。従って、この場合には（７）式より、平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎのうち上からｊ個の平均温度Ｔ１、Ｔ２、−−、Ｔｊは注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの平均温度Ｔj+1 、Ｔj+2 、−−、Ｔｎは冷水温度Ｔｃに等しいと推定できる。（但し、ｊ＝０の場合は、Ｔｍ１〜Ｔｍｎは全て冷水温度Ｔｃに等しく、ｊ＝ｎの場合はＴｍ１〜Ｔｍｎは全て注入温水温度Ｔｈに等しい。）
従ってこの場合は、中間グループ１〜ｊに属する全ての中間部温度センサ位置の温度は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間グループ（ｊ＋１）〜ｎに属する全ての中間部温度センサ位置の温度は冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
【００６３】
（２）上記（１）の場合に該当せずに、
Ｔth j-1＜Ｔｍｍ＜Ｔthｊ    、但しｊは１〜ｎの間の数字
を満足するｊの値が存在する場合。
（７）式より、
（ｊ−１）・Ｔｈ＋（ｎ−ｊ＋１））・Ｔｃ）／ｎ  ＜Ｔｍｍ
＜（ｊ・Ｔｈ＋（ｎ−ｊ）・Ｔｃ）／ｎ
これより、中間グループ１〜（ｊ−１）の平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍj-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、それ以外の中間グループ（ｊ＋１）〜ｎの平均温度Ｔｍj+1 、Ｔｍj+2 、−−、Ｔｍｎは冷水温度Ｔｃに等しいと推定できる。そして中間グループｊの平均温度Ｔｍｊは、
Ｔｍｊ＝ｎ・Ｔｍ−（ｊ−１）・Ｔｈ−（ｎ−ｊ）・Ｔｃ                （９）式
と推定できる。
従って、中間グループ１〜（ｊ−１）に属する全ての中間部温度センサ位置の温度は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間グループ（ｊ＋１）〜ｎに属する全ての中間部温度センサ位置の温度は冷水温度Ｔｃに等しいと推定できる。
【００６４】
中間グループｊに属する各中間部温度センサ位置における温水（または冷水）の温度（中間位置温度）Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,ajは、（９）式で求めた平均温度Ｔｍｊを基に次のように推定できる。
（ａ）｜Ｔｍｊ−Ｔth j,k｜≦ΔＴ    、  但しｋは０〜jn間の数字
を満足するｋの値が存在する場合。
上記不等式が成立していれば、平均温度Ｔｍｊはグループ内基準温度Ｔth j,kと殆ど一致しているとみなすことができる。
従って、この場合には（８−ｊ）式より、中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,k は注入温水温度Ｔｈに等しく、残りの中間位置温度Ｔj,k+1 、Ｔj,k+2 、−−、Ｔj,ajは冷水温度Ｔｃに等しいと推定する。
【００６５】
（ｂ）上記（ａ）の場合に該当せずに、
Ｔth j,k-1＜Ｔｍｊ＜Ｔth j,k      、但しｋは１〜jnの間の数字
を満足するｋの値が存在する場合は、（８−ｊ）式より中間位置温度Ｔj,1 、Ｔj,2 、−−、Ｔj,k-1 は注入温水温度Ｔｈに等しく、中間位置温度Ｔj,k+1 、Ｔj,k+2 、−−、Ｔj,jnは冷水温度Ｔｃに等しいと推定できる。そして、中間位置温度Ｔj,k は、
Ｔj,k ＝aj・Ｔｍｊ−（ｋ−１）・Ｔｈ−（aj−ｋ）・Ｔｃ
と推定する。
【００６６】
以上の説明から明らかなように、本実施形態の場合は中間部温度計測器２２１〜２２ｎが測定した各中間グループ１〜ｊの平均温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、−−、Ｔｍｎ及びそれらの平均値Ｔｍｍとに基づいて各中間部温度センサの取り付け位置における温水（または冷水）の温度を全て推定することができる。この場合、中間部温度計測器は各中間グループに対して１式必要とするのみであるので、全ての中間部温度センサに温度計測器を取り付ける場合に比べて温度計測器の数を大幅に削減できる。また、各中間グループに属する熱電対は、貯湯槽１２側で並列に接続し、その両端を補償導線で対応する中間部温度計測器に導くだけでよいので、個々の熱電対の信号を補償導線で温度センサまで個別に配線するのに比べて配線工事費用が少なくて済む利点がある。
【００６７】
（第４の実施形態）
本実施形態は、前記第１、第２、第３の実施形態における中間部温度センサ及び中間部温度計測器についての変形実施態様である。これまでの実施態様では、中間部温度センサには熱伝対を使用し、それらを図３に示したように並列接続してきた。これに対して本実施形態では、中間部温度センサとしてサーミスタを使用する。
【００６８】
これを第１の実施形態に適用した場合について説明する。中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３として使用するサーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３は同一種類、同一仕様のもので、それらを図８に示すように直列接続して中間部温度計測器２２に入力する。
サーミスタを温度センサとして使用する温度計測器は、サーミスタの抵抗値が温度依存性を有していることからその抵抗値の変化量を測定して温度を計測するものである。そして、サーミスタを温度センサとして使用する通常の温度計測器は、サーミスタ１個の抵抗値変化を測定して１点の温度を計測するようにできている。
【００６９】
本実施形態の場合には、サーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３を直列に接続しているため、抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）の変化量から平均温度Ｔｍを検出する必要がある。従って、中間部温度計測器２２は、抵抗値（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）の平均値（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）／３を最初に算出し、以降、その平均値をサーミスタが１個のみ接続されている場合の抵抗値と見なして通常と同じ計算により温度を算出する。そのようにすれば、算出された温度は中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の平均温度Ｔｍに等しくなる。
【００７０】
このような平均温度測定方法によれば、中間部温度計測器２２としては通常のサーミスタ式温度計測器とは少し仕様の異なる計測器を必要とするものの、必要台数は１式で済む。従って、全てのサーミスタに温度計測器を接続する場合に比べてコスト低減となる。また、３個のサーミスタは貯湯槽１２側で直列接続して中間部温度計測器２２まで配線すればよいので、配線工事費用の低減の効果も得られる。
【００７１】
（第５の実施形態）
本実施形態も、前記第１、第２、第３の実施形態における中間部温度センサ及び中間部温度計測器についての変形実施態様である。第４の実施形態においては、中間部温度センサとしてサーミスタを使用しそれらを直列に接続した。これに対して本実施形態では、中間部温度センサとして同じサーミスタを使用するものの、それらのサーミスタは並列に接続して中間部温度計測器２２に入力する。例えば、第１の実施形態に適用した場合には図９に示すように接続する。
【００７２】
中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３として使用する同一種類、同一仕様のサーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３の基準温度における抵抗値をＲ０、温度がそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３に変化した場合の抵抗値の変化量をそれぞれΔｒ１、Δｒ２、Δｒ３とすると、サーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３の抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は次のように書ける。
Ｒ１＝Ｒ０＋Δｒ１
Ｒ２＝Ｒ０＋Δｒ２
Ｒ３＝Ｒ０＋Δｒ３
ここで、Δｒ１、Δｒ２、Δｒ３の値は、基準温度における抵抗値Ｒ０に比べて非常に小さな値である。従って、サーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３を並列に接続した場合の抵抗値Ｒｔは次のように近似できる。
Ｒｔ＝（１／３）・（Ｒ０＋（Δｒ１＋Δｒ２＋Δｒ３）／３）
右辺に含まれる（Δｒ１＋Δｒ２＋Δｒ３）／３は、サーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３の抵抗値変化量の平均値である。また、右辺全体はサーミスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３の抵抗値の平均値である。
【００７３】
従って、中間部温度計測器２２は、計測した抵抗値Ｒｔを最初に３倍して平均の抵抗値３・Ｒｔを算出する。以降、その平均の抵抗値３・Ｒｔをサーミスタが１個のみ接続されている場合の抵抗値と見なして通常と同じ計算により温度を算出する。そのようにすれば算出された温度は、中間部温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３の平均温度Ｔｍに等しくなる。
【００７４】
このような平均温度測定方法によれば、中間部温度計測器２２としては通常のサーミスタ式温度計測器とは少し仕様の異なる計測器を必要とするものの、必要台数は１式で済む。従って、全てのサーミスタに温度計測器を接続する場合に比べてコスト低減となる。また、３個のサーミスタは貯湯槽１２側で並列接続して中間部温度計測器２２まで配線すればよいので、配線工事費の低減の効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１の実施形態に係る貯湯槽内の温度センサの取り付け位置と、それらと温度計測器との接続関係を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの全体のブロック図及びそれと周辺装置との接続関係を示す図である。
【図３】３個の温度センサを並列接続した場合の等価回路である。
【図４】第１の実施形態における平均温度Ｔｍが基準温度Ｔth０、Ｔth１、Ｔth２、Ｔth３の何れかと一致する場合の温度センサと境界層との位置関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態において平均温度Ｔｍが基準温度Ｔth０、Ｔth１、Ｔth２、Ｔth３と一致しない場合における温度センサと境界層との位置関係を示す図である。
【図６】第２の実施形態の場合の図１相当図である。
【図７】第３の実施形態の場合の図１相当図である。
【図８】サーミスタを直列接続する場合の接続図である。
【図９】サーミスタを並列接続する場合の接続図である。
【符号の説明】
【００７６】
図面中、１は燃料電池コジェネレーションシステム、１２は貯湯槽、１２ｃは冷水層、１２ｈは温水層、１２ｍは境界層、２１は最上部温度計測器、２２は中間部温度計測器、２３は最下部温度計測器、２４は中間部温度推定手段、１１２は燃料電池、１１４は熱交換器、１２１は温水の戻り口、１２２は冷水供給口、１２３は給湯口、１２４は冷水取り入れ口、Ｒは熱伝対、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はサーミスタ、Ｓｕは最上部位置の温度センサ、Ｓｖは最下部位置の温度センサ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎ、Ｓn,anは中間位置温度センサ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔｎ、Ｔn,anは中間位置温度、Ｔｃは冷水温度、Ｔｈは注入温水温度、Ｔｍは平均温度、Ｔｍｍは平均値、Ｔth０、Ｔth１、Ｔthｎは基準温度、ΔＴは温度偏差を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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